A Two-Dimensional Crystal of Strongly Interacting Superatoms
本研究展示了一种由共价键结合的 Pd₆Se₂₀/₂₁ 超原子组成的强相互作用二维晶体的形成，这些超原子表现出类原子的电子特性和晶体缺陷，为研究原子固体的成核与生长提供了一个独特的模型系统。
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几个世纪以来，科学家们一直明白固体世界是由原子构成的，这些微小的粒子相互连接，形成具有重复模式的晶体。在这些模式中，原子如此之小且运动得如此之快，以至于观察它们如何形成晶体，就像试图观察暴风雨中落下的一滴雨水一样；这个过程发生得太快，以至于无法看见。为了理解晶体是如何生长的，研究人员长期以来一直设想使用更大的构建块，这些构建块的作用类似于原子，但运动得足够慢，以便被观察到。他们称这些较大的块为“超原子”（superatoms）。这些并非单个原子，而是由许多原子紧密结合在一起的精确簇，它们紧密结合在一起，表现得像一个具有自身电子特性的单一、更大的单元。挑战在于如何让这些超原子彼此结合得足够牢固，从而形成真正的晶体，而不是仅仅在周围松散地漂浮或破碎。
现在，一个研究小组成功创造了一种完全由这些超原子组成的二维平面晶体，并且他们首次观察到了这些构建块如何移动、结合以及自我修复。科学家们使用的是由钯（pallium）和硒（selenium）组成的簇，具体是包含六个钯原子并被二十个或二十一个硒原子包围的结构。这些簇相对于单个原子来说非常巨大，其重量是氢原子的两千多倍。由于它们如此沉重，它们的运动比普通原子慢得多，这使得研究人员能够使用强大的电子显微镜拍摄它们的组装过程。团队发现，这些簇不仅仅是并排坐在一起；它们彼此结合的强度类似于金属中保持原子结合的化学键，从而形成了一个稳定的、重复的晶格。
研究人员首先创建了一层含有正确比例钯和硒的无定形（或无序）材料薄膜。为了在加热过程中防止材料丢失硒原子，他们将该薄膜夹在两层石墨烯（一种由单层碳原子组成的材料）之间。然后，他们使用低功率激光轻轻加热这个“三明治”中的一个小点，使无序材料结晶成超原子结构。当他们用高分辨率显微镜观察结果时，看到了一个明亮光点的完美网格。每个光点代表一个超原子簇。通过分析这些光点的亮度和排列方式，团队确认了这些簇是按照特定的、重复的模式排列的，就像地板上的瓷砖一样，但每个单元之间的间距约为 8.64 埃（angstroms）。
在这个晶体内部，超原子并不都是完全相同的。研究人员发现了两种主要的簇类型：一种具有空心中心，另一种则由一个硒原子填充该中心。尽管存在这些内部差异，它们仍能牢固地结合在一起。相邻簇边缘之间的距离约为 3.50 埃，这个间隙对于仅靠微弱、被动力量维持连接来说太小了，但对于标准的原子键来说又太大。计算表明，这些簇是由化学键和较弱的力量共同维持的，这种键合能量足以保持晶体的完整。这种键合赋予了材料金属特性，这意味着它可以导电，这与该材料的块体版本（作为半导体）有着显著区别。
这项发现之所以真正独特，是因为能够观察晶体的生长和愈合。因为超原子如此巨大，它们的运动足够缓慢，可以被捕捉成视频。研究人员观察到单个簇从一组簇中脱离，并在表面上游走，然后重新附着。他们还观察到一小组簇靠近一个较大的晶体，旋转以与其对齐，然后“咔哒”一声卡入到位，从而有效地逐块构建晶体。对于普通原子来说，这个过程在几分之一秒内就会发生，但在该系统中却需要数秒钟，这让科学家们能够看到结晶和生长的确切步骤。
团队还观察到，超原子晶体会遭受与普通晶体相同的缺陷。他们发现了由于缺少簇而产生的空位、模式发生偏移的线条，以及两个不同晶体区域相遇的边界。当研究人员将电子束长时间暴露在材料上时，他们观察到了这些边界是如何愈合的。两个不同的晶粒旋转并合并成一个更大的晶粒，只留下了原始边界的微弱痕迹。这种观察晶体在基本构建块层面上的诞生、生长和修复的能力，为研究固体物质如何形成的物理学提供了一个罕见的窗口。通过将这一过程减慢到人类可见的尺度，研究人员创造了一个模型系统，可以帮助科学家理解结晶的基本规则，不仅是针对这些特定的簇，也包括构成我们周围世界的原子晶体。
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